of 175 /175
T.C. PAMUKKALE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI TİCARİ YARI-İLETKEN KARAKTERİSTİKLERİNİN SİMÜLASYONU VE DENEYSEL ANALİZLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI YÜKSEK LİSANS TEZİ ZEKERİYA MEHMET YÜKSEL DENİZLİ, AĞUSTOS - 2014

T.C. PAMUKKALE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ …

  • Author
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of T.C. PAMUKKALE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ …

FZK ANABLM DALI
TCAR YARI-LETKEN KARAKTERSTKLERNN
FZK ANABLM DALI
TCAR YARI-LETKEN KARAKTERSTKLERNN
YÜKSEK LSANS TEZ ZEKERYA MEHMET YÜKSEL
PAMUKKALE ÜNVERSTES FEN BLMLER ENSTTÜSÜ FZK ANABLM DALI
(TEZ DANIMANI: Ör. Gör. Tayfun DEMRTÜRK)
DENZL, AUSTOS - 2014
ile ayn çalma prensipleri elde edilerek, genel sonuçlar üreticilerden elde edilen
katalog bilgileri ile karlatrlmtr.
incelenerek ve yaplan deneyler birçok sefer tekrarlanarak programn verimlilii
yükseltilmitir. Üniversitelerin elektronik laboratuvarlarnda bu ve benzeri
deneyler sürekli gerçekletirilmektedir. Yaratlan program ile örenci
laboratuvarlarnda yaplan bu deneylerin daha salkl ve daha hzl olmas
amaçlanmtr. Ayrca günümüzün ilerleyen teknolojik gelimelerine paralel
olarak, örencilerin yapt bu deneyleri bilgisayar ortamna tamak ve
örencilere bu programlar tantmak çalmann genel amaçlar arasnda yer
almtr.
özelliklerini yüksek tutarllk ile ortaya koymu, elde edilen sonuçlar hem
simülasyon hem de üretici firmalarn katalog bilgileri ile uyuarak, örenci
laboratuvarlarnda bu ve benzeri programlarn kullanlarak örenme verimliliinin
arttrlabilecei tartlm ve yorumlanmtr.
ii
ABSTRACT
MSC THESIS ZEKERYA MEHMET YÜKSEL
PAMUKKALE UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE PHYSCS
(SUPERVISOR:Ins. Dr. Tayfun DEMRTÜRK)
DENZL, AUGUST 2014
In this study, a LabVIEW program was created for the semiconductor
circuit components which are diodes, transistors and MOSFET’s operating
principles examined further Multisim program the simulation method and the
same principle are obtained and the overall results from producers obtained
catalog data are compared with.
The study was prepared in LabVIEW programs and an experiment
examining the effectiveness of the program has been raised many times repeated.
These and similar experiments in the laboratories of universities electronics is
carried out continuously. Students with programs created in the laboratories of
these experiments are intended to be more healthy and faster. In addition to
today's advancing technological developments in parallel computing environment
for students to try this his move to introduce this program to the students of the
general objectives of the study were included.
As a result, created programs semiconductor properties characteristic of
high consistency and has revealed the results obtained, as the simulation of both
the manufacturers' catalogs with information, students in the labs of this and
similar programs using the learning efficiency can be increased are discussed and
interpreted.
iii
ÇNDEKLER
Sayfa
2.12 Transistör............................................................................................39 2.12.1 Transistör Yaps ..........................................................................40 2.12.2 Transistör Parametreleri...............................................................44 2.12.3 Collector Erileri .........................................................................47 2.12.4 Kesim ve Doyum .........................................................................48 2.12.5 Voltaj Yükselticisi Olarak Bipolar Transistör .............................52 2.12.6 Anahtar Olarak Bipolar Transistör ..............................................53 2.12.7 Sznt Akmnn Ölçülmesi .........................................................54 2.12.8 Kazanç Ölçmeleri ........................................................................55 2.12.9 Eri Çiziciler................................................................................55 2.12.10 Transistör Paketlerinin ve Terminallerinin Tannmas ................55
iv
3.9 Metal Oksit Yar-iletken FET’ ler (MOSFET)...................................71 3.9.1 Arnma Artl Mosfet (Depletion Enhancement Mosfet) ...........71 3.9.2 Artl MOSFET (Enhancement MOSFET: e-MOSFET) ...........74 3.9.3 V-MOSFET .................................................................................75 3.9.4 MOSFET Karakteristikleri ve Parametreleri ...............................76
3.9.4.1 Arnma Artl MOSFET Transfer Karakteristikleri...............76 3.9.4.2 Artl MOSFET Transfer Karakteristii ................................77
3.9.5 MOSFET’ in Beslenmesi.............................................................78 3.9.5.1 E-MOSFET’ in Beslenmesi ....................................................78
v
vi
EKL LSTES
ekiller Sayfa
1.1: Yüzey durumlar düüncesi 4 1.2: Soldan saa: Shockley, Bardeen ve Brattain. Lucent Technologies Inc./BellLabs 5 1.3: lk nokta temasl transistör 5 1.4: Metal oksit yar-iletken transistör kesiti 9 1.5: SOI MOSFET kesiti 10 1.6: SOI üzerine yeni cihaz kavramlar 11 2.1: Kat cisim içindeki atomlara ait enerji düzeylerinin yarlarak enerji bandlarnn oluumu 12 2.2: Kat cisimleri band teorisine göre elektriksel iletkenliklerinin gösterimi 14 2.3: Malzemelerin elektriksel iletkenliklerine göre snflandrlmas 15 2.4: Deerlik bandna çkarak serbest elektron haline gelen iletkenlik elektronu ve geride brakt elektron boluu yar-iletkenin elektriksel iletkenliine katkda bulunur. Elektronlar ve boluklar zt elektrik yükü tadklarndan bir elektrik alanda ters yönde hareket ederler 16 2.5: a) Saf Si kristali, b) Si kristali içinde bir fosfor katk atomu 17 2.6: Verici seviyelerinin band modeli üzerinde gösterimi 20 2.7: Kristal örgüsü içinde yabanc atomun “yerini alarak” ve “skarak” yerlemesi 20 2.8: Alc Seviyesinin tanm 21 2.9: p-n kavann oluturulmas ve arnma bölgesinin meydana gelii 24 2.10: Bir p-n kavann doru beslenmesi 25 2.11: Doru beslenmi bir Si; p-n kavann akm-gerilim karakteristii 26 2.12: Bir p-n kavann ters besleme ile beslenmesi 27 2.13: Ters balanm bir p-n kavann akm-gerilim diyagram 28 2.14: Bir p-n kavann yaps 30 2.15: nce film teknolojisi ile yaplm p-n kavaklar 30 2.16: Alternatif gerilim uygulanm bir diyotun giri ve çkndaki gerilimler 31 2.17: Bir diyotun akm-gerilim karakteristikleri düz besleme halinde devreden akm geçerken, ters besleme durumunda devreden akm geçmemektedir 32 2.18: Si diyotun ideal, pratik ve gerçek diyot modellemelerinin (I-V) grafikleri 32 2.19: Bir diyotun elektrik devresindeki kullanm sembolü 33 2.20: Bir diyotun düz ve ters beslenmesi, a) düz besleme, b) ters besleme 33 2.21: Uygulamada kullanlan çeitli diyot tipleri 34 2.22: a) Zener diyotun sembolü, b) Genel zener diyot karakteristii 34 2.23: Zener diyotun ters besleme karakteristii 35 2.24: Zener diyot edeer devresi ve ters besleme karakteristiinin deerlendirilmesi 36 2.25: Zener diyot kullanlarak yaplan voltaj regülasyonu 37 2.26: Deiken giriin zener diyot ile regüle edilmesi 38 2.27: Deiken yük kullanlan devrede zener regülasyonu 38 2.28: pnp ve npn transistör yaplar 40 2.29: npn ve pnp transistörlerin yaps ve sembolleri 41
vii
2.30: Bipolar transistörlerin beslenmesi 41 2.31: Bipolar npn transistör çalma ilkesi. a) düz-ters beslemede npn transistör içindeki yaklam, b) emitter - base kavanda elektron ak, c) Base - kollektör kavanda elektron 43 2.32: Transistör akm yönleri 44 2.33: Transistör besleme devreleri 45 2.34: Transistör devre analizi 46 2.35: Transistör için ideal DC modeli 47 2.36: a) Collector karakteristiklerinin çizilmesi için devre, b) tek bir base akm için elde edilen karakteristik I-V erisi 47 2.37: Farkl Base akm deerleri için Collector erileri ailesi 48 2.38: Kesilme durumunda collector sznt akm 49 2.39: Doyum olaynn açklanmas 50 2.40: Çeitli scaklklarda βDC nin collector akmna bal olarak deimesi 50 2.41: Maksimum güç erisi 51 2.42: Alternatif gerilim sinyali ile beslenmi transistör ve edeer devresi 52 2.43: Transistörde ideal anahtarlama ilemi. a) transistör kesim durumunda b) transistör doyum durumunda 53 2.44: Sznt akm ölçmeleri için devreler 55 2.45: Transistörlerin paket ve ayak (terminal) yaplarndan bazlar 56 3.1: n ve p kanal JFET yaplar 58 3.2: n Kanal JFET’ in beslenmesi 59 3.3: VGG nin kanal genilii ve drain akm üzerine etkisi, b) büyük VGG kanal daraltr, ID yi azaltr, c) küçük VGG kanal geniletir, ID yi arttrr 60 3.4: JFET Sembolleri 60 3.5: a) VGS = 0 ve deiken VDS li JFET, b) VG2S = 0 V için aktc (Drain) karakteristik erisi 61 3.6: VGS = 0 için JFET karakteristik davranlar 62 3.7: VGS negatifletikçe kstrma daha küçük VDS deerlerinde meydana gelir
63 3.8: VGS nin ID yi kontrol etmesinin açklanmas 63 3.9: Kesilme durumunda JFET davran 65 3.10: JFET transfer karakteristik erisi 65 3.11: Sadaki JFET drain karakteristiklerinden soldaki JFET transfer karakteristiklerinin çkartlmas 66 3.12: gm, besleme noktasna (VGS) bal olarak deiir 67 3.13: JFET’lerin kendiliinden beslenmesi (tüm FET’lerde IS = ID dir) 69 3.14: DE MOSFET yaplar 72 3.15: n kanal DE MOSFET’ in çalma ilkesi. a) arnma modu, b) artl mod 73 3.16: DE MOSFET’ lerin ematik gösterilii 73 3.17: E-MOSFET yaps ve çalma prensibi 74 3.18: n ve p kanal E-MOSFET sembolleri 74 3.19: Konvansiyonel E-MOSFET ve V-MOSFET yaplar 75 3.20: DE-MOSFET transfer karakteristik erileri 76 3.21: E-MOSFET transfer karakteristik erileri 77 3.22: Sfr beslemeli DE-MOSFET 78 3.23: E-MOSFET için besleme devreleri 79 4.1: BS170 Kodlu MOSFET için yaplan Multisin çalmas 82 4.2: Mosfet incelemeleri için hazrlanan LabVIEW programnn ön panel görünümü 84
viii
4.3: Mosfet incelemeleri için hazrlanan LabVIEW programnn blok diyagram görüntümü 85 4.4: NImyDAQ özellikleri 87 4.5: DAQ assistance kullanm örnei 88 4.6: NI myDAQ balant emas 88 4.7: NI ELVISmx programnn balangç ara yüzü 90 4.8: ELVISmx içeriindeki dijital avometre program 91 5.1: Sadan sola srasyla BUZ 11, BS 170 kodlu MOSFETler ve 2N4401 transistör 93 5.2: Sadan sola srasyla 1N4007 kodlu diyot ile 1N4740A kodlu zener diyot 93 5.3: Sadan sola srasyla; kod numaras bilinmeyen germanyum diyot ve deneylerde kullanlan dirençlere bir örnek olarak 1.01MΩ luk direnç 93 5.4: 1N4007 kodlu diyot için ileri besleme simülasyonu 94 5.5: 1N4007 kodlu diyot için geri besleme simülasyonu 95 5.6: 1N4007 kodlu silisyum diyot için LabVIEW programnda gerçekletiren ileri besleme deneyinin ekran görüntüsü 96 5.7: 1N4007 kodlu silisyum diyot için LabVIEW programnda gerçekletiren geri besleme deneyinin ekran görüntüsü 97 5.8: 1N4007 diyot için üretici firma ileri besleme erileri 99 5.9: 1N4007 diyot için üretici firma geri besleme erileri 99 5.10: Kod numaras bilinmeyen germanyum diyot için LabVIEW programnda gerçekletiren ileri besleme deneyinin ekran görüntüsü 100 5.11: Kod numaras bilinmeyen germanyum diyot için LabVIEW programnda gerçekletiren geri besleme deneyinin ekran görüntüsü 102 5.12: 1N4740A kodlu zener diyot için ileri besleme simülasyonu 103 5.13: 1N4740A kodlu zener diyot için geri besleme simülasyonu 103 5.14: 1N4740A kodlu silisyum zener diyot için LabVIEW programnda gerçekletiren ileri besleme deneyinin ekran görüntüsü 104 5.15: 1N4740A kodlu silisyum zener diyot için LabVIEW programnda gerçekletiren ileri besleme deneyinin ekran görüntüsü 105 5.16: 1N4740A kodlu zener diyot için üretici firma ileri besleme grafii 106 5.17: 2N4401 kodlu transistör için akm gerilim simülasyonuna ait ekran görüntüsü 107 5.18: 2N4401 kodlu transistör için 2 voltluk base gerilimi altnda yaplan çalmann LabVIEW deney görüntüsü 108 5.19: 2N4401 kodlu transistör için 9 voltluk base gerilimi altnda yaplan çalmann LabVIEW deney görüntüsü 108 5.20: 2N4401 kodlu transistör için üretici firmadan alnan IC – VCE akm – gerilim karakteristik erileri 110 5.21: BS 170 kodlu MOSFET’ in akm – gerilim (ID – VDS) karakteristiinin Multisim Programnda ki simülasyonu 112 5.22: BS 170 kodlu MOSFET’ in -5 volt gate gerilimi altnda, akm – gerilim karakteristii 113 5.23: BS 170 kodlu MOSFET için “DIODES INCORPORATED” firmasnn kataloundan alnana ID – VDS akm – gerilim grafii 115 5.24: BS 170 kodlu MOSFET’ in akm – gerilim (ID – VDS) karakteristiinin Multisim Programnda ki simülasyonu 116
ix
5.25: BUZ 11 kodlu MOSFET için “intersil” firmasnn kataloundan alnan ID – VDS akm – gerilim grafii 117 5.26: BUZ 11 kodlu MOSFET’ in -5 volt gate gerilimi altnda, akm – gerilim (ID – VDS) karakteristii 118
x
xi
GRAFK LSTES
Grafik Sayfa
5.1: 1N4007 kodlu silisyum diyot için yaplan deney sonras elde edilen veriler ile çizilen ileri besleme akm gerilim grafii. .....................96
5.2: 1N4007 kodlu silisyum diyot için yaplan deney sonras elde edilen veriler ile çizilen geri besleme akm gerilim grafii. .....................98
5.3: Kod numaras bilinmeyen germanyum diyot için ileri beseleme grafii. ..........................................................................................101
5.4: Kod numaras bilinmeyen germanyum diyot için geri beseleme grafii. ..........................................................................................102
5.5: 1N4740A kodlu zener diyot için ileri besleme grafii. ...........................104 5.6: 1N4740A kodlu zener diyot için ileri besleme grafii. ...........................105 5.7: 2N4401 kodlu transistör için yaplan deney sonuçlarnda elde edilen
veriler ile çizilen grafik. ...............................................................109 5.8: BS 170 kodlu MOSFET’ in -5 voltlu VGS gerilim altnda ki akm –
grafii. ..........................................................................................114 5.10: BUZ 11 kodlu MOSFET için akm – gerilim (ID – VDS) karakteristik
grafii. ..........................................................................................118
xii
letim band enerji seviyesi Valans band enerji seviyesi Yasak enerji aral enerjisi Fermi enerji seviyesi Verici balant enerjisi Elektron volt letkenlik Boltzmann sabiti Planck sabiti letim band enerji seviyesi Deiin kütlesi Elektronun kütlesi∗ Deiin etkin kütlesi∗ Elektronun etkin kütlesi Saf yar-iletkenlerde tayc younluu Akm younluu Elektrik potansiyeli Mobilite Katksz elektriksel iletkenlik Scaklk katsays Akm kazanc Dielektrik sabiti yonize olmu verici says yonize olmu alc says
xiii
KISALTMALAR
Cu : Bakr Ge : Germanyum C : Karbon Si : Silisyum Au : Altn T : Mutlak scaklk 0K : Kelvin 0C : Santigrat P : Fosfor Mo : Molibden Ag2S : Gümü Sülfür Cu2S : Bakr Sülfür PbS : Kurun Sülfür SiO2 : Silisyum dioksit Sb : Antimon DC : Doru akm AC : Alternatif akm FET : Alan Etkili Transistör JFET : Eklem Alan Etkili Transistör MESFET : Metal-yar-iletken Alan Etkili Transistör MOSFET : Metal Oksit Yar-iletken Alan Etkili Transistör
xiv
ÖNSÖZ
Çalmalarm srasnda bilgilerini benimle paylaan Uzm. Süleyman . ÇELK’ e teekkür ederim.
Deneysel çalmalarm esnasnda yardmlarn esirgemeyen deerli arkadam Fatih AKIN’ a teekkür ederim.
Yüksek lisans ve lisans eitimim boyunca her türlü yardm, ilgi ve dostluklarn esirgemeyen, zor zamanlarmda bana destek olan arkadam Arzu BL’ ye teekkür ederim.
Son olarak bu günlere gelmemde benden maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen, bana sabrn tükendii noktada birbirimize duyduumuz sevgiyle ayakta durmay öreten sevgili annem Pervin Yüksel’e ve kardeim Yamur Yüksel’e teekkür ediyorum. Bu çalmay rahmetli babam Celal YÜKSEL’ e ithaf ediyorum.
1
ylnda Micheal Faraday ile balayarak 1954 ylnda ilk silikon transistörün üretimi
arasnda ki yllar kapsamaktadr. Bant teorisinin geliiyle, bu çalmalar teknolojinin
ihtiyaçlar tarafndan yönlendirilen bir hal ald. Ancak çalmalarn saf silikon ve
germanyum büyütme üzerinde younlamas ve bu malzemelerin özelliklerinin daha
iyi anlalmas ile katlar üzerinde baarl kuantum teorisinin gelitirilmesi yar-
iletken çalmalarnda bir patlama yaratm ve çalmalar bugün de devam
etmektedir.
G. Busch’a göre “yar-iletken” terimi ilk defa Alessandro Volta tarafndan
1782 ylnda kullanlmtr. 1833 ylnda Michael Faraday’ in Gümü sülfür
direncinin, dier metallere oranla farkl scaklk deerleri ile azaldn fark etmesi
yar-iletken etkisinin belgelenmi ilk gözlemi olarak kabul edilmektedir (Laeri,
2003). Daha sonralar Ag2S ve Cu2S malzemelerinin, elektriksel iletkenliklerinin,
scakla bamllnn kapsaml bir analizi, Johann Hittorf tarafndan 1851 ylnda
yaynlanmtr (Busch, 1989).
1.1 Dorultma Çalmalar
1874 ylnda Karl Ferdinand Braun, bir metal noktas ile kontaktanm metal
sülfürlerin iletim ve dorultmalarn gözlemlemitir. Braun' un bu gözlemi hemen bir
etki yaratmamasna ramen, kinci Dünya Sava yllarnda radar sistemlerinin, radyo
dalgalarn ve mikrodalga radyasyonunu alglamas çalmalarnn geliiminde
önemli bir rol oynamtr (1909 ylnda Braun, Marconi ile fizik Nobel Ödülü'nü
paylamtr). Arthur Schuster 1874 ylnda vida balantl bakr telden yaplan bir
devrede dorultmay gözlemlemitir (Orton, 2009). Schuster bu gözleminde,
dorultma etkisinin, devrenin belirli bir süre boyunca kullanlmadnda ortaya
çktn fark etti, devreyi temizledii anda (bu durumda bakr oksit devreden
uzaklatrlyordu) dorultma kayboluyordu. Bu ekilde Arthur Schuster, yeni bir
yar-iletken olarak bakr oksit kefetti. 1929 ylnda ise Walter Schottky deneysel bir
2
gelimeler yar-iletken malzemeler için yaplan dorultma çalmalarnn öncüleridir.
1.2 Foto-iletkenlik ve Foto-voltaiklik
arasndaki bir kontakta fotovoltaik etkisini kefetti. Katlardaki foto iletkenlik
Willoughby Smith tarafndan 1873 ylnda, denizaltlar için gerekli olan yüksek
dirençli kablolar üzerine yapt çalmalar srasnda kefedilmitir (Orton, 2004).
Smith deneylerinde selenyum dirençler kulland ve n selenyum dirençlerin
deerlerinde yüksek bir düüe neden olduunun fark etti. Adams ve Day ise
katlardaki fotovoltaik etkiyi 1876 ylnda kefettiler. In, bir pile bal olan
selenyumdan akan akmn yönünü deitirdiini kefettiler. Çalan ilk güne pili
1883 ylnda Charles Fritts tarafndan ina edilmitir. Bu güne pili, çok ince bir altn
tabaka ile kaplanm metal plaka ve ince bir tabaka halindeki selenyumdan ibarettir
(Perlin, 2002). Bu güne pilinin verimi %1’ in altndadr (Grundman, 2002).
1.3 Yar-iletken Teorisindeki Geliim
1878 ylnda Edwin Herbert Hall katlarda ki yük tayclarnn manyetik
alanda yön deitirdiklerini kefetti (Hall etkisi). Bu olgu, yar-iletkenlerin
özelliklerini incelemek için yaplan çalmalarda kullanlmaktadr (Hoddeson, 1992).
J.J. Thomson tarafndan elektronun kefedilmesinden ksa bir süre sonra birkaç bilim
adam metallerde elektron merkezli iletimin teorisini öne att. 1899 ylnda ortaya
atlan Eduard Riecke’ nin teorisi hayli ilginçti çünkü bu teoriye göre negatif ve
pozitif yükler farkl younlukta ve farkl hareketlilikte yük tayorlard. 1908
yllarnda Karl Baedeker tam oranl ölçüm (stokiyometri) yöntemini kullanarak bakr
iyodürün iyot içeriine baml iletkenliini gözlemledi ve ayrca, bu malzemedeki
pozitif yük tayclarnn gösterdii Hall etkisini ölçtü (Busch, 1989). 1914 ylnda
Johan Koenigsberger iletkenlik özellikleri açsndan yar-iletkenleri malzemeleri üç
gruba ayrd, bu ayrm: metaller, izolatörler ve "deiken iletkenler" eklindedir.
1928 ylnda Ferdinand Bloch elektron örgüleri teorisini gelitirdi. 1930 ylnda
3
içerisindeki yabanc maddelerin varlna bal olduunu belirtti ve kimyasal olarak
saf yar-iletkenin bulunmadn ortaya att. 1930 ylnda Rudolf Peierls yasak bölge
konseptini tantt ve ayn yl Brillouin tarafndan yasak bölge konsepti katlarda
uyguland. Ayrca 1930 ylnda Kroning ve Penney periyodik potansiyel için basit bir
analitik model gelitirdi. 1931 ylnda Alan Wilson katlar için bo ve enerji dolu
bant fikrine dayal bant teorisi gelitirdi. Wilson ayrca yar-iletkenlerin iletkenliinin
kirlilikler nedeniyle olduunu dorulad ve ayn yl içerisinde Heisenberg hole
kavramn gelitirdi. 1938 ylnda Walter Schottky ve Neville F. Mott bir metal-yar-
iletken kava üzerinden potansiyel bariyer ve akm modelini gelitirdiler (1977
Nobel Ödülü). Bir yl sonra Schottky alan yükü kavram altnda kendi modelini
geniletti. 1938 ylnda Boris Davydov bakr oksit dorultmasnda bir p-n ekleminin
varl teorisini öne sürdü ve ayrca yüzey yüklerinin önemini açklad (Jenkins,
2007). 1942 ylnda Hans Bethe termo-iyonik emisyon teorisini gelitirdi ve 1967
Nobel Ödülü’nü kazand.
1.4 Yar-iletken Cihazlarn Geliimi
1904 ylnda J. C. Bose, PbS noktas kontak dorultucular için patent
bavurusunda bulunarak yar-iletken cihazlar için alnan ilk patenti elde etti. G.
Pickard silikon nokta kontak dorultucularn radyo dalgalar saptanmasnda yararl
olduunu göstererek ilk bilim insan oldu ve 1906 ylnda patent bavurusunda
bulundu. Selenyum ve bakr oksit dorultucular srasyla 1925 ve 1926 yllarnda L.
O. Gröndahl ve E. Presör tarafndan gelitirilmitir. kinci dünya sava yllarnda
selenyum dorultucular askeri haberleme ve radar donanmlar olarak younlukla
kullanlmlardr.
detektörleri ile yaad sorunlarn kötü kalitedeki yar-iletkenler nedeniyle
kaynaklandn fark etti silisyum tüpler içinde silikon eriterek eriyen silikonu
soumaya brakt. Böylelikle elde ettii malzeme hala polikristal bir yapdayd fakat
malzeme üzerinde yaplan elektriksel testler, malzemenin özelliklerinin çok daha
muntazam olduunu göstermiti. Ohl yapt bu çalmalar srasnda yanllkla
4
ortaya çkan kirlilik sayesinde p-n eklemini tanmlad. Bunun üzerine dört farkl p-n
eklemi düzenleyerek bu eklemler için patent ald (Riordan, 1997).
1945 ylnda William Shockley alan-etki prensibi ile çalan bir yar-iletken
amplifikatör kavramn ortaya koydu. Fikir dikey bir elektrik alann, bir yar-iletken
katmann yalnzca iletkenliini deitirecei üzerine oluturulmutu. Ancak bu etki
deneysel olarak gözlenmedi. John Bardeen, ilenmemi malzemelerin yüzey
durumlarnn yaratt bir etki nedeniyle deneysel taramalarn sonuçsuz kald
fikrini gelitirdi ve ortaya att bu yeni yüzey teorisi fikri (ekil 1.1) 1947 ylnda
yaymland (Shockley, 1949).
ekil 1.1: Yüzey durumlar düüncesi.
John Bardeen ve Walter Brattain (ekil 1.2) alan etkili cihazlar üzerinde
çalrlarken 1947 ylnn Aralk aynda ilk germanyum nokta kontakl transistor
(ekil 1.3) ürettiler ve bu cihazn güç kazanc saladn sergilediler. Ancak
transistörün çalma mekanizmasnda beklenmedik belirsizlikler bulunmaktayd.
Shockley, aznlk tayclarn toplu iletimini tercih etmesinin, yeni cihazn
çalmasnda baskn bir rol üstlendii ve yüzeyle ilgili belirsizliklerin bu durumdan
kaynaklandn savunarak, Bardeen ve Brattain ikna etti. Yaklak bir ay sonra da
Shockley bir p-n ekleminin teorisini ve p-n eklemli bir transistörü gelitirdi.
Shockley, Bardeen ve Brattain 1956 ylnda fizik dalnda Nobel Ödülü kazandlar
(Lukasiak, 2010).
ekil 1.2: Soldan saa: Shockley, Bardeen ve Brattain. Lucent Technologies Inc./Bell Labs.
ubat 1948’de John Shive çok ince bir dilim halindeki germanyum (0,01 cm)
plakay emiter ve kolektör balantlarnn ters tarafta yerletirerek nokta temasl bir
transistör tasarlad ve bu transistörün doru ekilde çaltn gösterdi. Bu
yaplandrma, iletimin sadece yar-iletkenin yüzeyi boyunca deil de, toplu olarak
gerçekletiini gösterdi. Zaten Shockley bu gelimeden sonra transistörün çalma
teorisini sunabilmiti. (Ross, 1998)
6
Bardeen ve Brattain yar-iletkenlerin en önemli özelliinin "hassas yaps"
olduunu söylemektedir ve bu özellik numunenin saflna kuvvetle bamldr.
Bardeen ve Brattain çalt yar-iletken malzeme Czochralski yöntemi üzerine ina
edilen, Gordon K. Teal ve John B. Little tarafndan gelitirilen bir teknik kullanlarak
elde edilmitir. Bu yöntemde kristal, William G. Pfann önerdii bölge artma
yöntemi kullanlarak saflatrlmtr. Üretilen ilk nokta kontak transistörler son
derece kararszdlar ve elektriksel özelliklerini kontrol altnda tutabilmek oldukça
zordu. lk gelitirilen eklem transistörler 1952 ylnda imal edildi. Bu transistörler
noktadan temas yönteminden önce imal edilen transistörlerden çok daha iyiydiler,
ancak üretim çok daha zor oldu. Karmak bir katklama (doping) prosedürünün
sonucu olarak üretilen kristal n-p-n yapsna sahip olan üç bölgeden olumaktayd.
Her bir bölgenin cihaz içerisine kesilerek yerletirilmesi ve temaslarn tek tek
yaplmas gerekiyordu. Bu süreç zorluydu ve kolayca otomatikletirilemedi. Ayrca
bir sürü yar-iletken malzeme israf edilmekteydi. (Riordan, 1999)
1952 ylnda ise katkl kontak tipi transistör yapld. Bu ürünün üretimi daha
kolayd ve daha az malzeme tüketerek, ksmen otomatik bir ekilde üretilebilecekti.
Elde edilen taban kanal genilii yaklak 10 μm olmutu bu nedenle cihaz sadece
birkaç MHz mertebesinde çalabilmekteydi. lk yaynk tabanl Ge transistör 1954
ylnda yapld. Bu transistörün taban kanal genilii 1 μm oldu ve 500 MHz
mertebesinde çalabiliyordu. Böylelikle, birçok uygulama için silikon transistörlerin
alt ters akmlar nedeniyle germanyum transistörlerden daha iyi olaca anlald, bu
gelimeyle birlikte ilk ticari silikon cihazlar (büyük eklemli) Gordon Teal tarafndan
1954 ylnda imal edildi. (Esaki, 1976)
lk yaynk tabanl Si transistör ise 1955 ylnda ortaya çkt. John Early,
krlma voltajn çok fazla düürmeden, çalma hzn snrlayan kolektör direncini
azaltmak için, iki tabakadan oluan bir kolektör düzenei kullanabileceini düündü,
yüksek katkl bir tabaka üzerine yüksek dirençli bir tabaka yerletirmeyi tasarlad.
Böylelikle kristal dorultusu ana yaps ile ayn olan (epitaksiyel tabaka) transistor
1960 ylnda ortaya çkt. Ayn yl içerisinde Jean Hoerni düzlemsel transistörü (hem
base hem de emiter bölgeleri yaynk tabanl) önerdi. Bu, transistör maske olarak
kullanlan oksit yüzey kaldrlmayarak, koruma yüzeyi olarak görev almaktayd.
7
Herbert Kroemer tarafndan önerilmiti. Yerleik bir elektrik alan, kademeli doping
vastasyla transistörün taban içine nüfus ettirilebilir, ya da yar-iletken malzemenin
kendisi derecelendirilmi bileim sayesinde kademeli band boluklar oluturarak
yerleik bir elektrik alan oluturulabilirdi. Ancak bu heterojen yap kavram üretim
sorunlar nedeniyle kolayca uygulamaya koyulamad (Esaki 1976).
1.5 Entegre Devreler
Tüm bu gelimelerin sonucunda, transistörler çok daha güvenilir bir ekilde,
çok daha hzl çalmaya baladlar ve ayrca vakum tüplerine göre çok daha az s
üretiyorlard. Böylelikle büyük sistemlerin bu cihazlar kullanlarak ina edilebilecei
fikri ortaya çkmaya balad. Ancak transistör yapsndaki mesafeden ve ara
balantlardan kaynaklanan gecikmeleri en aza indirmek için, bu mesafenin mümkün
olduunca ksa tutulmas gerekmekteydi. 1958 ylnda Jack Kilby çeitli cihazlar tek
bir silikon tabaka içinde tel balant yoluyla imal ederek ilk entegre devreyi ortaya
çkard. Kilby tel balant yönteminin patent bavurusunda sorun çkartabileceini
fark ederek, yar-iletken malzemesi olan SiO2 üzerine koruyucu bir tabaka halinde
alüminyum birikimi (deposition) ile balantlarnn oluturulmasn önerdi. Bu
yöntem, 1959 ylnda Robert Noyce tarafndan, Jack Kilby’den bamsz bir ekilde
gerçekletirilmitir ve 2000 ylnda Jack Kilby çalmalarnn baar nedeniyle fizik
dalnda Nobel Ödülünü kazanmtr (Berlin, 2005).
1.6 Tünel Diyot
Leo Esaki yayc kontak noktasnda ki enjeksiyon oran yetersiz olmadan
önce iki kutuplu bir transistörün baz katksnn ne kadar yüksek olabileceini
örenmek için ar katkl kontak noktalar üzerine çalmalar yapt. Bu çalmalar
srasnda her dar kontak noktasnn tünel etkisi yarattn fark etti, bu farkndalk
sayesinde ilk Ge tünel diyotunu 1957 ylnda, silikon diyotunu ise 1958 ylnda elde
etti. 1958 ylndaki Elektron ve Telekomünikasyon Kathal Fizii Uluslararas
Konferans'nda Esaki’nin yapt sunum Shockley tarafndan takdir edilmitir.
8
Bu olaydan iki yl önce Robert Noyce tünel diyot fikrini sunmak için
kendisine geldiinde, Shockley bu konuya ilgi göstermemiti ve Robert Noyce baka
alanlarda çalmaya balamt. (Lukasiak, 2010)
Tünel diyot iletimi, aznlk tayclarnn veya termal etkilere dayal deildi
bu sebeple çevre koullarna son derece dayanklyd. Ayrca, anahtarlama süreleri
transistörün anahtarlama süresine nazaran çok daha ksa olmaktayd. Leo Esaki tünel
diyotlar ve süper örgü üzerine yapt çalmalar için 1973 ylnda fizik alannda
Nobel Ödülü ald.
1930 ve 1933 yllarnda Julius Lilienfeld srasyla, bugünün MESFET ve
MOSFET'ini temsil eden cihazlar için patent ald.
1934 ylnda ise Oskar Heil alan etkili transistörlerin kapasitif denetimi
yapt teorik çalmalar için bir patent bavurusunda bulundu.
lk bipolar transistörler oldukça güvensiz bir çalma sergiliyorlard çünkü
yar-iletken yüzeyler düzgün bir ekilde pasifize edilmemilerdi. M. M. Atalla
yönettii bir grup bu sorun üzerinde çalmalar yapt ve silikon dioksit bir tabakann
bu sorun için bir cevap olabileceini öne sürdü. Bu çalmalar srasnda bir alan etkili
transistörün yeni bir kavramn gelitirdi ve gerçek cihazlarn üretiminde kullanld.
Ancak bu cihazlar o zaman ki bipolar transistörlerin performansna ulaamadlar ve
büyük ölçüde unutuldular (Atalla, 1959)
Bell Laboratuvarlar MOS transistörü göstermeden birkaç yl önce RCA
(Radio Corporation of America) çalan olan Paul Weimer ve Torkel Wallmark
benzer cihazlar üzerine çalmalar yaptlar. Weimer kadmiyum sülfür ve kadmiyum
selenür transistörler üretti.
1963 ylnda Steven Hofstein ve Frederic Hymen silikon MOSFET üzerinde
bir bildiri yaynlad (ekil 1.4). Ayn yl içerisinde ilk CMOS devre Frank Wanlass
tarafndan önerildi (Hoftesein, 1960).
1970 ylnda Willard Boyle ve George Smith arj-çiftli cihazlar (CCD)
kavramn sundu. Her iki bilim adam CCD üzerindeki çalmalar için 2009 ylnda
fizik alannda Nobel Ödülü ald.
ekil 1.4: Metal oksit yar-iletken transistör kesiti.
lk MOSFET ler alüminyum kapya sahipti. Poli-Si kapsnn gelitirilmesi,
kapnn kendisinin, kaynak ve drenaj difüzyonu için maske oluturarak, kendi
kendini normal konuma getiren bir cihazn olumasna yol açt. Bu ekilde, gate-
kolektör ve gate-emiter arasnda meydana gelen parazit kapasitanslar kontrol
edilebilir bir hale geldi. Polisilikonun nispeten yüksek dirence sahip olmas nedeniyle
kaplarn yanstc metal tabanl silisyum malzemeden yaplmas önerilmitir (Kervin
1969).
lk MOSFET cihazlarn boyutlar oldukça büyüktü ve yararl bir ekilde
kullanlabilmeleri için bu boyutlarn küçültülmesi gerekmekteydi, ancak aygtn
boyutunun azaltlmas eik gerilimi ve drenaj kaynakl bariyer içeren ksa kanal
etkilerine yol açyordu. Bu sorunla baa çkmak için bavurulan yollar; artan direnci
önlemek ile birlikte kaynak ve drenaj derinliini azaltc yöndeydi (örnein, hafif
katkl drenaj, yüksek kaynak boaltmas ve muhtemel Schottky bariyeri). Kanallarn
uygun katklama profilleri sayesinde eik gerilimi kontrol altna alnabilir bir hale
getirilmekteydi.
geriliminin etkileri oldukça azalmaktayd. Gate yüzeyinin kalnlnn azaltlmasnn
bir sonucu olarak; gate bölgesinin kaçak akm artar, bu sebeple cihaz içerisindeki
yongalarn güç tüketimi artar ve bu durum sabit pil ile çalan cihazalar için
istenmeyen bir etki oluturur.
10
Gate bölgesindeki kaçak akmn her 30 katlk artna karlk olarak, kanal
bölgesindeki kaçak akmn yaklak olarak 3 ila 5 kat artmasna neden olduu tahmin
edilmektedir. Gate bölgesinin oksit yüzeyinin azaltlmas, kaçak akmn yan sra bor
katkl silis yar-iletkenlerin poli-Si kapsnda kanal bölgesine nüfuz eden bor
duyarlln arttrmaktayd.
Klasik MOSFET lerin farkl bir uygulamas ise yaltkan yüzey üzerine silikon kaplama eklinde gerçekletirildi (SOI).
ekil 1.5: SOI MOSFET kesiti.
SOI MOSFET lerin en büyük avantaj entegre bir devredeki dier devre
elemanlarndan elektriksel izolasyon salayabilmesi ve böylelikle paketlenmi
younluun arttrlmasdr. Ayrca, kaynak ve drenajn birleme alan önemli ölçüde
azalmaktadr, böylece parazittik sa azalr.
Bölgenin genilii Si gövde kalnl ile snrlandrlmtr, bu nedenle SOI
kanal yoluyla kaynak-drenaj balamann göz ard edilemeyecek ekilde, ksa kanal
etkilerini azaltmaya yardmc olduuna inanlmaktadr. SOI aygtlarn bu özellikleri
gövde kalnlnn azaltlmas ile daha da iyiletirilmektedir. Tamamen tüketilmi
alanl ve ultra ince vücut yapl SOI’lerin en önemli ölçekleme çözümlerden biri
olduuna inanlmaktadr (Saraswat, 1979).
11
ekil 1.6: SOI üzerine yeni cihaz kavramlar a) silikon üzerinde yaltkan (SOI) alan etkili transistör (FinFET), b) SOI üçlü gate MOSFET, c) SOI -kap MOSFET, d) SOI Ω-gate MOSFET, e) SOI gate çerçeve MOSFET, f) toplu tri-gate MOSFET.
Kanallarn mükemmel kap kontrolü nedeniyle bu cihazlar katksz ya da çok
hafif katkl olabilir. Bu ekilde hareketlilik daha az bozulmakta ve eik gerilimi,
doping konsantrasyonundaki dalgalanmalara daha az baml hale gelmektedir. SOI’
nin bir dier avantaj da, yeni cihaz kavramlarnn geliimini kolaylatrmasdr.
12
özellikli ve kesikli enerjilere sahiptirler. Eer iki izole atom birbirlerine
yaklatrlrsa her atomik enerji seviyesi ikiye yarlr. Eer 3 atom birbirine
yaklatrlrsa her enerji seviyesi üçe yarlacaktr. Bir kat cisim ele alndnda
birbirine örgü sabiti mesafesinde yakn N sayda atom bir arada bulunuyor demektir.
Dolaysyla enerji düzeyleri N ye yarlm olacaktr. Bu enerji seviyeleri arasndaki
fark o kadar küçüktür ki bu enerji grubu sürekli bir enerji band olarak düünülebilir.
Baka bir ifade ile katdaki her enerji seviyesine prensip olarak bir enerji band
karlk gelmektedir.
ekil 2.1: Kat cisim içindeki atomlara ait enerji düzeylerinin yarlarak enerji bandlarnn oluumu.
Atomun yapsnda yer alan ve daha iç kabuklarda bulunan elektronlar,
çekirdee yakn olmalar nedeniyle, atoma daha sk baldrlar. Dier taraftan bu
elektronlar üzerine öteki komu atomlarn etkileri de ihmal edilebilecek kadar az
olur. Bu nedenle iç kabuklardaki bu seviyelerin yarlmalar çok daha küçük
boyutlarda olacandan iç kabuk elektronlarnn enerji deerleri, pratik olarak,
atomunkiler ile ayndr (Floyd 2012).
13
Pauli ilkesine göre her enerji düzeyinde, spinleri farkl olmak koulu ile en
fazla iki elektron yer alabilir. Buna göre bir band N sayda enerji düzeyine
yarlyorsa bu bantta en fazla 2N sayda elektron bulunabilir. Elektronlar enerji
açsndan enerji deerleri küçük olan seviyelere öncelikle yerleirler. Böylece tüm
elektronlar enerjilerine göre farkl seviyelere yerleir. Elektron bulunan en yüksek
enerjili seviyeden sonra gelen enerji düzeyi, yerleecek baka elektron kalmad
için, bo kalacaktr. Elektronlar, eer yerlemeleri mümkün ise, ortamdan s enerjisi
alarak daha yüksek enerjili düzeylere geçi yapabilirler. Bu nedenle, bir kat içinde,
elektron bulunan en yüksek enerji düzeyi, kat cismin bulunduu scakla bal
olarak deiir.
Herhangi bir scaklkta elektron bulunan en yüksek enerji seviyesine deerlik
band, bunu izleyen ilk bo enerji düzeyine ise iletkenlik band ad verilmitir.
Mutlak sfr scaklnda (0 °K) elektron bulunan en yüksek enerji düzeyinin ad ise
Fermi Seviyesidir.
Deerlik bandnda bulunan atoma bal bir elektron, herhangi bir d etki ile
(örnein: elektrik alan, optik aydnlatma, x-nlar ile nlama, manyetik alan veya
s enerjisi gibi) enerji kazanabiliyor ve daha yüksek enerjili bo seviyelere, baka bir
deyile iletkenlik bandna geçi yapabiliyorsa, bu elektron atomdan bamsz hale
gelir. Yani serbest elektron durumuna geçer. Elektronun kat cisim içinde serbestçe
dolamas anlamna gelen bu olgu kat cismin iletken özellik tamas demektir. Bu
nedenle dolu olan en yüksek enerjili banddan sonra gelen daha yüksek enerjili
seviyelere iletkenlik seviyeleri denmitir. Örnein metallerde en d yörüngede
bulunan deerlik elektronu atoma zayf bir ekilde bal olup, küçük bir elektrik alan
etkisi ile bal olduu atomdan kurtarlabilir ve elektron serbest elektron veya
iletkenlik elektronu haline gelir ve kat cisme elektriksel iletkenlik kazandrr. Bu
özellie sahip maddeler iletkenler olarak bilinir.
Eer deerlik elektronu atoma çok güçlü balarla bal ise, bir d etki ile bu
elektronlar atomdan kopartlamaz ve iletkenlik bandna geçecek elektron
yaratlamaz. Dolaysyla bu maddeler iletkenlik özellii gösteremezler. Bunlara
yaltkan maddeler denir. Baz maddelerde ise, alçak scaklklarda deerlik
bandndaki elektronlar yeterli enerji kazanarak iletkenlik bandna çkamamalarna
ramen, scaklk artnca, örnein oda scaklnda (300 °K) bile elektronlarn
14
olur ve malzeme iletken karakter kazanr. Bu özellie sahip malzeme yar-iletkenler
olarak tanmlanmtr.
enerji açsndan bulunmalarnn mümkün olmad bu bölgeye Yasak Enerji Aral
denir. Buna göre iletken malzemede deerlik band ile iletkenlik band arasndaki
genilik sfrdr, baka bir ifade ile iletkenlerde deerlik band ile iletkenlik band üst
üste binmitir (Floyd 2012).
EF
EF
Yaltkanlarda ise yasak enerji aral oldukça geni olup, elektron yeterli
enerji kazanarak deerlik bandndan iletkenlik bandna geçi yapamaz. ekil 2.2 den
görülecei gibi yar-iletkenlerde yasak enerji aral, elektronlarn oda scaklnda
bile enerji kazanarak deerlik bandndan iletkenlik bandna çkmalarna izin verecek
darlktadr. ekil 2.3 de malzemenin elektriksel davranna göre snflandrmas
verilmitir.
2.2 Yar-iletkenlerde Elektronik letkenlik
Deerlik band ile iletkenlik band arasndaki yasak enerji aral
yaltkanlarda 2 – 8 eV kadarken, yar-iletken Si da 1,1 eV, yar-iletken Ge da ise 0,7
eV kadardr. Mutlak sfr scaklnda yar-iletkenlerde de tüm elektronlar atomlara
bal durumdadr ve malzeme yaltkan özellik gösterir. Scaklk arttkça elektronlarn
s enerjisi olarak aldklar enerji artar ve bu kazandklar enerji ile Fermi seviyesine
yakn seviyelerdeki elektronlar deerlik bandndan iletkenlik bandna çkmaya
balarlar. Böylece kat cisim içinde serbest elektron says artmaya balar ve
malzeme iletkenlik özellii gösterir. Dahas bu iletkenlik özellii scaklk ile ilikili
olmaldr. Çünkü scaklk arttkça elektronlarn ald enerji giderek artacak ve
iletkenlik bandna çkacak dolaysyla da elektron says fazlalaaca için
malzemenin iletkenlii de artacaktr.
(Metaller)
Bakr
Gümü
Altn
Demir
Alüminyum
Cam
Lastik
Seramik
Kât
Silisyum
Germanyum
InSb
GaAs
16
Bir elektron deerlik bandndan iletkenlik bandna çkarken terk ettii yer, bir
negatif yük azald için, pozitif yüklü bir parçack gibi davranr. Elektronun deerlik
bandn terk ettikten sonra geride brakt ve tamamen elektron benzeri davran
gösteren ve elektron kütlesine eit kütleye sahip bu pozitif bolua elektron boluu
(elektron hole, deik) denir. Komu atomlarn deerlik veya daha iç seviyelerindeki
elektronlar bu elektron boluuna geçi yapabilirler. Böylece bu kez onlarn geldii
enerji düzeyinde bir elektron boluu oluur. Bu davran, elektron boluunun
hareket etmesi olarak yorumlanabileceinden, yar-iletkenlerde iletkenlik bandna
sçrayan elektronlar yannda, deerlik bandndaki elektron boluklar da iletkenlie
katkda bulunur. Dolaysyla yar-iletkenlerdeki elektrik iletkenliinin iki bileeni
vardr ve toplam iletkenlik bu iki bileenin toplanmas ile bulunur (Floyd 2012).
Elektriksel iletkenlik = Elektron iletkenlii + Boluk iletkenlii
(2.1)toplam elektron boluk
Yukarda açkland gibi yar-iletkenlerin elektrik iletkenlii scakla bal
olarak iddetle deiir. Dolaysyla malzemenin direnci de scakla iddetle baldr.
Bir yar-iletkenin elektriksel direncinin scaklkla deiimi,
17
ile elde edilir.
Burada b malzemeye bal olan bir sabit (malzeme sabiti); a ise kullanlan
kristalin boyutlarna bal olan bir dier sabittir. Boltzmann sabiti k ile T nin çarpm
enerji boyutunda olduundan b sabiti de enerji boyutunda olmaldr. Malzemenin
Scaklk Katsays ise,
eklinde tanmlanm olup, scaklk 1 °C deitiinde meydana gelecek bal direnç
deiimini anlatr (Floyd 2012).
Asal yar-iletken elementler periyodik sistemin dördüncü sütununda bulunurlar.
Bu elementlerin deerlik elektronlar dörder tanedir. Örnein Si atomu, en yakn 4
komusu ile birer elektron çifti oluturarak kovalent balar meydana getirirler, ekil
2.5 (a).
ekil 2.5: a) Saf Si kristali, b) Si kristali içinde bir fosfor katk atomu.
18
birinin çkarlarak yerine 5. grup elementlerinden, örnein bir fosfor atomu
koyduumuzu düünelim, ekil 2.5 (b). Fosforun deerlik elektronu says 5
olduundan bunlardan dördü civardaki 4 Si atomu ile hemen kovalent balar
kurarlar. Geriye bir artk (fazla) elektron (excess electron) kalr. Fakat P çekirdeinin
de Si çekirdeine göre bir fazla (+) yükü vardr. Buna göre fazla elektron mesela
elektrik iletkenliine katkda bulunabilmek için tamamen sabit deildir. Bir d
elektrik alan etkisi altnda bu fazla elektronun kristal içinde hareket edebilmesi,
baka bir deyile elektriksel iletkenlie katkda bulunmas, ilk bakta olanakszm
gibi görünür. Çünkü bunun için elektrona P 'un ilk iyonizasyon enerjisi
mertebesinden enerji vermek gerekecektir ki, serbest P atomu için bu enerji 10,55 eV
mertebesindendir, yani çok büyüktür. Dier taraftan kristal örgüsü içindeki P
atomunun enerji seviyelerinin serbest P atomununkinden farkl olacan hemen
söylenebilir.
Gerçek duruma oldukça yakn bir irdeleme öyle yaplabilir. P' un fazla
elektronu, P çekirdeindeki fazla pozitif yük ile yaklak bir hidrojen atomu gibi
davranr. Buna göre fazla elektronun balant enerjisini ilk yaklaklkla Bohr teorisi
yardmyla hesaplamak mümkündür. Bilindii gibi hidrojen atomundaki tek
elektronun balant (iyonizasyon) enerjisi 13,6 eV dur (Floyd 2012).
Fakat izole hidrojen atomu için doru olan bu deer Si gibi bir atom içinde
daha küçüktür. Bunun iki nedeni vardr. Birincisi, elektronla çekirdek arasndaki
çekme kuvveti ortamn ε dielektrik sabiti ile ters orantldr. kincisi, Her iki yükün
oluturduu atomun yarçap ε ile doru orantldr. Bohr hidrojen atomu modelinde
yer alan, ortamn dielektrik sabitinin bulunmasna bal düzeltme faktörü de hesaba
katlrsa fazla elektronun balant (iyonizasyon) enerjisi için,
2 4
2 2
kullanmak suretiyle örgünün etkisi de hesaba katlm olur.
19
Si da me * = 0,2 me, hidrojenin iyonizasyon enerjisi 13,6 eV, Si' un dielektrik
sabiti 11,7 olduundan denklem 2.4 P 'un Si içindeki fazla elektronunun iyonizasyon
enerjisi için
e
e
yaklak 530 defa küçülmü olacan göstermektedir. Buna benzer bir hesab
germanyum örgüsündeki fosfor atomu için yaplrsa (me * = 0,1 me ; ε = 15,8)
fosforun fazla elektronunun 1760 defa daha küçük olan E = 0,006 eV luk bir balant
enerjisi ile çekirdee bal olduunu buluruz (Floyd 2012).
Yukardaki hesaplar, örnein efektif elektron kütlesinin dorultuya bal
olduunu da göz önüne almak suretiyle, biraz daha iyiletirmek mümkündür. Ancak
burada nsal sourma veya ssal iyonizasyon deneylerinden elde edilen sonuçlar
vermektedir. Bu sonuçlar;
Tablo 0.1: Si ve Ge içinde 5 deerli vericilerin iyonizasyon enerjileri.
P As Sb
Silisyum 0,045 eV 0,049 eV 0,039 eV
Germanyum 0,0120 eV 0,0127 eV 0,0096 eV
Si ve Ge örgülerine giren tablodaki 5 deerli yabanc atomlar bu Tablo 2.1’
de görüldüü gibi çok düük olmayan scaklklarda kolaylkla iyonize olabilirler ve
örgüye serbest elektronlar kazandrabilirler. Bu nedenle bu 5 deerli atomlara verici
(donor) ad verilmektedir.
20
Kristalin band emas üzerinde verici balant enerjisi Ed’ yi göstermek için
iletkenlik bandnn alt kenarndan Ey – Ed kadar aada bir seviye çizmek gerekir.
Verici seviyesi, bandn sürekli yapsndan farkl olarak, süreksiz (kesikli)
seviyelerdir. Bundan baka bu seviyeler kristal içinde yabanc atomun bulunduu
yere bal yerel (snrlandrlm) seviyelerdir. Ana kristalin band emas üzerinde
ksa bir çizgi ile gösterilirler, ekil 2.6.
ekil 2.6: Verici seviyelerinin band modeli üzerinde gösterimi.
Fosfor, arsenik ve antimon, Si ve Ge içinde, daima ana kristal atomlarndan
birinin yerini alarak yerleir. Yabanc atom için bir baka yerleme olana da, kristal
içindeki ana örgü atomlarn kenarlara iterek araya yerleme biçimidir, ekil 2.7
Örnein Li tek deerli bir atom olmasna karlk Ge ve Si örgülerine girebilir ve
verici görevi yapabilir (Floyd 2012).
ekil 2.7: Kristal örgüsü içinde yabanc atomun “yerini alarak” ve “skarak” yerlemesi.
21
Her iki halde de kristal fazla elektron yani negatif akm tayc kazanm
olduu için kristale n-tipi katkl yar-iletken ad verilir.
Si örgüsüne yerini alma yolu ile yerletirilen yabanc atom eer 3 deerli ise
(örnein bor, alüminyum, galyum, indiyum gibi) bu durumda yabanc atomun,
civarndaki 4 Si atomu ile kovalent ba kurabilmesi için bir elektronu noksan kalr,
ekil 2.8. Bu elektronu, gerekli enerjiyi harcayarak, yaknlarndaki bir Si - Si
bandan alabilir ve yabanc atomun 4 çift ba böylece tamamlanabilir.
Bu olay sonuç olarak, kristalin deerlik band içinde bir elektron boluunun
olumasna neden olur. Boluk, daha önce görüldüü gibi pozitif bir akm tayc
olarak kristale iletkenlik kazandrabilir. Bunu salayabilmek için örgü içinde bir
elektronun enerjisini yükseltmek gerekir. Bu nedenle 3 deerli yabanc atomlar
bulunan katkl yar-iletkene p-tipi yar-iletken; yabanc atoma da elektron tuttuu
için alc (acceptor) ad verilir.
Pozitif boluun, bir fazla negatif yükü bulunan alc yaknndaki hareketi,
yine hidrojen atomundaki elektronun hareketine benzer. Yani alcnn iyonizasyon
enerjisi büyük bir dorulukla daha önce tanmlanan bant ile hesaplanabilir. Alc
iyonizasyon enerjisi Ea kesikli bir enerji seviyesidir. Verici seviyesi gibi
snrlandrlm bir seviyedir. Ana kristalin band emas üzerinde Ev nin Ea kadar
üzerinde çizilen kesikli çizgilerle gösterilir (Boylestad 2011).
ekil 2.8: Alc Seviyesinin tanm.
22
Ea, esas itibariyle bir boluun alc atomun yaknndan ayrlmas için
harcanmas gereken enerjidir. Serbest kalan boluk kristalin elektrik iletkenliine
katkda bulunacaktr. Bu olay u ekilde de gözümüzde canlandrabiliriz. Ea enerjisi
deerlik bandndaki bir elektron tarafndan sourulur. Elektron Ea alc seviyesine
çkar, alc seviyesine bal olan boluk deerlik bandna iner ve böylece deerlik
bandnda serbest bir boluk meydana gelir.
Buradan görülecei gibi, band emas üzerinde, bir elektronun enerji
kazanmas, onun igal ettii enerji seviyesinin (iletkenlik band dorultusunda)
yükselmesi demektir. Buna karlk bir boluk enerji kazannca onun seviyesi
(deerlik band dorultusunda) aa inmektedir (Boylestad, 2011).
2.4 Katkl Yar-iletkenlerde Elektrik letkenlii
En mükemmel yöntemlerle temizlenmi bir Si veya Ge örneinde yabanc
atomlarn (katk atomlar) younluunu yüz milyonda bir mertebesine kadar
indirilebilmektedir. Bu saflkta bir Si kristalinin cm3 de yine de N = NA × (2,33/14) ×
10–11 ≈ 10−12 yabanc atom bulunuyor demektir. Bu yabanc atomlarn hepsinin 5
deerli bir elementten kaynaklandn ve oda scaklnda bunlarn hepsinin
iyonlam olduunu düünürsek cm3 bana 1012 elektron kristalin iletkenliine
katkda bulunabilecek demektir. Bu sayy, mutlak saflkta bir Si kristalinin oda
scaklndaki elektron says ile karlatrmak ilginç olacaktr.
* 0, 2  ;  ;  1,14 eV alarak, 2
v e e F y
Em m E E
8 32 0 ,025 227
1 0, 2 9,11 10 1, 38 10 300 2, 78 10 cm
2 1, 054 10 n e






bulunur. Görülüyor ki 5 deerli yabanc elementlerin, oda scaklnda kristale
verdii serbest elektron says, asal iletkenlik elektronlar saysndan yaklak 104
defa fazla olmaktadr. Bu sonuç, oda scaklnda, asal yar-iletkenlik gösterebilecek
23
göstermektedir.
Ayn hesap Ge için (me * = 0,1 me ; Ey = 0,67 eV) tekrarlanrsa asal iletkenlik
elektronlar konsantrasyonunun 1012 mertebesinden olduu anlalr. Buradan,
silisyumdan farkl olarak oda scaklnda asal yar-iletken Ge elde edilebilecei
anlalmaktadr. Bu düüncelerin yalnz verici karakterli yabanc atomlar için deil, 3
deerli alc katk atomlar için de doru olduu açktr.
Genel olarak kristal yalnz bir çeit yabanc atom içermez. letkenlik,
kristaldeki verici/alc orannn deerine göre deiik oranda elektron (n-tipi) veya
boluk (p-tipi) iletkenlii olabilir. Hangi tür akm tayc fazla ise buna çounluk
taycs (majority carrier); dierine aznlk taycs (minority carrier) ad verilir.
Dier taraftan kristal içindeki her yabanc atomun her scaklkta iyonize
olmas gerekmez. yonize olmayan yabanc atomlar kristalin iletkenliini
deitirmez.
sayda iyonize olmu
yüksüz iken, pozitif ve negatif yük tayclarnn toplamlar birbirine eit olmaldr
(Demirtürk 2014).
Na –
verici younluklar kullanlarak Fermi dalm yardm ile hesaplanabilir. Aadaki
bantlar yazmak mümkündür.
24
n ve p tipi için seviye younluu ifadeleri kullanlarak ve deerlik bandnn üst
kenarnn enerjisini sfr noktas olarak almak koulu ile,
3 3 2 2
1 1
E E E E kT kT
m kT N m kT Ne e e e





eklinde yazlabilir. Fermi enerjisi EF‘ yi bu bantdan hesaplamak çok zordur.
Ancak özel ve pratikte karlalan baz basit hallerde bu mümkün olur. Aksi takdirde
saysal yöntemlere bavurmak gerekir.
Farkl atomlarla katklandrlm iki yar-iletken malzeme yüzeyleri temas
edecek biçimde bir araya getirilirse bir p-n kava meydana getirilir. Elektron ve
boluklar sahip olduklar ssal enerji nedeniyle hareket ederler. Bu hareket sonucu
iki malzemenin yüz yüze geldii ksmda (kavakta) n tipi malzemenin negatif yüklü
elektronlar ile p tipi malzemenin pozitif yüklü boluklar birbirleri ile etkileirler ve
yeniden-birlemi (recombination) olurlar. Böylece bu bölge elektrik yükü
bakmndan yüksüz bölge haline gelir. Elektronlarn ve boluklarn, enerji açsndan
aamayacaklar genilie gelince bu yüksüz bölgenin olumas durur. Elektrikçe
yüksüz olan bu bölgeye arnma bölgesi (katman = tabakas) (depletion layer) ad
verilmitir. Bu durum aadaki ekil 2.9’ da gösterilmektedir (Boylestad, 2011).
ekil 2.9: p-n kavann oluturulmas ve arnma bölgesinin meydana gelii.
25
Arnma bölgesi elektronlar ve boluklar için bir enerji engeli gibi davranr.
Öyle ki ne elektronlar ne boluklar bu enerji engelini aarak kar tarafa geçemezler.
Dolaysyla eklem arnma bölgesi olutuktan sonra kararl duruma ular. Bu nedenle,
bu enerji engeline “potansiyel engeli” (potential barrier) ya da “ön-gerilim bölgesi”
ad verilmitir. Boluklarn p tipi taraftan n tipi tarafa; elektronlarn n tipi taraftan p
tipi tarafa geçebilmeleri için bu potansiyel engelini aacak enerji dardan bir
kaynaktan, örnein bir emk kaynandan, onlara kazandrlmaldr. Ancak bu kez de
n veya p tarafnn hangi tür gerilime balanaca önem kazanr.
2.6 p-n Ekleminin Doru Beslenmesi
Bir p-n kavann iki tarafnn bir emk kaynann uçlarna balanmas
eylemine besleme (bias) ad verilir. Eer kavan n taraf emk kaynann negatif
terminaline, p tipi taraf pozitif terminaline balanrsa bu besleme türü Doru (leri)
Besleme (Forward Bias) olarak adlandrlr (Floyd 2012).
ekil 2.10: Bir p-n kavann doru beslenmesi.
26
Elektrik alandan enerji kazanan boluklar potansiyel barajn n tarafna doru
aarak negatif gerilim yönünde; elektronlar ise engeli p tarafna doru aarak pozitif
gerilim yönünde hareket ederek elektrik akmnn devre boyunca tamamlanmasna
neden olurlar. Devreden geçen toplam akm elektron ve boluk akmlarnn
toplamna eittir.
ekil 2.10 dan görülecei gibi doru besleme durumunda elektronlar p
tarafna doru hareketlenerek elektrik alandan enerji kazanrlar ve potansiyel engelini
aarak p tarafnda hareketlerine devam ederler. Benzer ekilde p tarafndaki boluklar
da elektrik alandan kazandklar enerji ile potansiyel barajn ap n tarafnda
hareketlerine devam ederler. Böylece hem elektronlar hem de boluklar elektrik
akmnn olumasna katkda bulunurlar. Dolaysyla devreden geçen akm için
(2.9)toplam elektron boluki i i
yazlabilir.
gerilim arttrlrsa, akm tayclarnn enerjileri artacandan daha çok sayda
elektron ve boluk potansiyel engelini aacandan devreden geçen akm iddeti hzla
artacaktr. Bu durum ekil 2.11 deki akm-gerilim karakteristiinde gösterilmitir.
ekil 2.11: Doru beslenmi bir Si; p-n kavann akm-gerilim karakteristii.
27
2.7 p-n Ekleminin Ters Beslenmesi
Bir p-n kavana gerilim, n taraf negatif, p taraf pozitif olacak ekilde
uygulanrsa fiziksel olaylar tamamen deiir, (ekil 2.12).
ekil 2.12: Bir p-n kavann ters besleme ile beslenmesi.
Pozitif yüklü boluklar negatif gerilime bal elektroda doru; negatif yüklü
elektronlar ise pozitif gerilime balanm elektroda doru hareket ederler ve arnma
bölgesi geniler. Akm tayclarn hemen tamamna yakn yeterli enerjiye sahip
olmadklarndan bu genilemi potansiyel engelini aamazlar ve devreden akm
geçmez (Floyd 2012).
p tarafndaki akm tayclar olan elektron boluklar pozitif yüklüdür, oysa p
taraf elektro motor kaynann negatif tarafna bal olduundan boluklar bu
elektroda doru hareketlenirler. Dier taraftan n tarafndaki negatif yüklü akm
tayclar elektronlar da n taraf pozitif gerilime bal olduundan bu elektroda
doru hareketleneceklerdir. Bunun sonucu doal olarak kavak bölgesindeki arnma
tabakas genileyecektir, bu durum ekil 2.12’ de gösterilmektedir. Bunun anlam p
ve n tipi malzeme kavandaki potansiyel barajnn deerinin artmasdr.
Dolaysyla akm tayclar bu engeli amak için daha yüksek enerjilere
çkarlmaldr. Bu enerji akm tayclara salanamadndan akm tayclar engeli
ap hareketlerine devam edemezler ve elektrik akm oluamaz. Baka sözlerle, bir
28
neden olan bir devre eleman gibi davranacaktr.
Elektronlarn veya boluklarn hepsinin ayn enerjide olmalar mümkün
deildir. Belli bir istatistie dayal olarak çeitli enerjilerde akm tayclar
bulunacaktr. Bunlardan yüksek enerjiye sahip olanlardan bazlar arnma
bölgesindeki enerji engelini aarak dier bölgeye geçi yapabilir. Dolaysyla bunlar
bir akm olumasna neden olabilirler. Ancak istatistiksel olarak böylesine yüksek
enerjiye sahip olan akm tayclarnn says çok çok az olduundan devreden
geçecek akm da çok çok küçük olacaktr. O halde bir p-n kava ters beslendiinde
çok küçük olsa da bir akmn devreden geçmesi yar-iletken kavaklarda
beklenmelidir. Buna göre bir p-n kavann ters besleme durumundaki akm-gerilim
karakteristii ekil 2.13 deki gibi olacaktr.
ekil 2.13: Ters balanm bir p-n kavann akm-gerilim diyagram.
ekil 2.11 ile 2.13 ün karlatrlmasndan görülür ki, düz besleme halinde
devreden geçen akm mA mertebesinde iken ters balama halinde µA
mertebesindedir. Pratik olarak bu nedenle p-n kavann ters besleme durumunda
akm geçirmedii kabul edilebilir.
Ters besleme geriliminin arttrlmas ilginç fiziksel olaylara neden olur. Ters besleme
geriliminin arttrlmas ters elektrik alann arttrlmas anlam tar. Elektrik alan
büyüdükçe elektronlarn kinetik enerjileri artar ve elektronlarn çarpmalar artar. Bu
çarpmalar srasnda elektronlarn birbirlerine aktardklar enerji artar. Enerjileri
eklemin yapld yar-iletken malzemenin yasak enerji aral deerini aan
elektronlar bundan sonra deerlik bandndan iletkenlik bandna sçramaya balarlar
29
ve bunlarn says hzla artar. Böylece iletkenlik bandndaki elektron says giderek
arttndan devreden geçen ters yönlü akm da hzla artar. Bu olaya ç (avalanche)
ad verilir (Demirtürk 2014).
Ç olaynn meydana gelmesine neden olan bir dier etken de alan kuvveti
olgusudur. Engel bölgesindeki alan kuvveti, ters gerilimin arttrlmas ile artar.
Yaklak olarak 106 V/cm nin üzerindeki alan deerlerinde, alan kuvveti, elektronlar
deerlik bandndan alarak iletkenlik bandna çkartmaya balar. Böylece iletkenlik
bandndaki serbest tayc says hzla artar ve geçen akm iddeti çok hzl biçimde
fazlalar.
Akm iddetinin artmas p-n kavann ohmik direnci üzerinde oluan i2R
elektriksel gücünün artmasna ve kavan hzla snmasna neden olur. Akm
iddetindeki artma çok büyük olduundan oluan s enerjisi de büyük olur ve kavak
tahrip olur. Bu tür kavaklardaki maksimum ters gerilim 10 V ile 10 kV arasnda,
geçen ters akm deeri de bir kaç nA ile bir kaç A arasnda deiir.
2.8 p-n Ekleminin Yapl
yaplabilmektedir. Difüzyon tekniinde n tipi veya p tipi malzeme balangç
malzemesi olarak seçilir. Örnein n tipi malzeme balangç olarak seçilmi ise bu
malzeme bir metal taban üzerine yerletirilir, ekil 2.14 p tipi malzeme n tipi
malzeme üzerine konarak malzemenin difüze olabilecei scaklkta uzun süre
bekletilir. Böylece p tipi malzemenin n tipi malzeme içine difüze olmas salanr.
Daha sonra p tipi malzeme üzerinde gümü boya, buharlatrma veya ultrasonik
çekiç yöntemlerinden biri kullanlarak ikinci metal kontak hazrlanr (Boylestad
2011).
30
ekil 2.14: Bir p-n kavann yaps.
nce film teknolojisinde ise metal taban üzerine ince film halinde n tipi yar-
iletken vakum buharlatrma teknii ile kaplanr. Belirli maskeler kullanlarak ikinci
kez p tipi malzeme n tipi malzemenin üzerine yine buharlatrma teknii kullanlarak
kaplanr ve p-n konta oluturulur. Bunu takiben p tipi malzeme üzerine yine belirli
maske yaplar kullanlarak metal buharlatrmas ile p tarafnn metal kontakt
hazrlanr. nce film teknolojisi ile çok küçük bir alana yüzlerce hatta binlerce p-n
kava yapmak mümkündür.
31
Bir p-n kava düz beslenirse elektrik akmn geçirmekte, ters beslenirse
elektrik akmn geçirmemektedir. Buna göre, uygulanan gerilimin pozitif ve negatif
bileenleri varsa, örnein uygulanan gerilim sinüzoidal gerilim ise, p-n kava p
pozitif, n negatif olduu sürece devreden akmn geçmesine izin verecek, p negatif, n
pozitif olduu sürece devreden akm geçmesine engel olacaktr. Bir doru akm
devresinde ise p pozitif, n negatif gerilime bal ise devreden akm geçecek; tersi ise
p-n kavann bulunduu koldan akm geçmeyecektir. Akmn devrede tek yönlü
olarak geçmesine olanak veren bu düzeneklere diyot ad verilmitir. O halde bir p-n
kava elektronik olarak bir diyot karakteri tar (Boylestad, 2011).
ekil 2.16: Alternatif gerilim uygulanm bir diyotun giri ve çkndaki gerilimler.
ekil 2.16 da görüldüü gibi alternatif gerilimin negatif alternanslar
kaybolmutur. Baka bir deyile bu anlarda devreden akm geçmemektedir.
32
ekil 2.17: Bir diyotun akm-gerilim karakteristikleri ileri besleme halinde devreden akm geçerken, ters besleme durumunda devreden akm geçmemektedir.
Diyotun uçlarna uygulanan gerilime bal olarak üzerinden geçen akmn
deimesini gösteren bu erilere akm-gerilim (I–V) karakteristikleri denir. ekil
2.18 de Si diyotun ideal, pratik ve gerçek diyot modellemelerinin (I-V) grafikleri
görülmektedir (Floyd 2012).
ekil 2.18: Si diyotun ideal, pratik ve gerçek diyot modellemelerinin (I-V) grafikleri.
33
Okun yönü devreden akm geçi yönünü gösterir. Doal olarak elektron
hareketi bunun tersi yöndedir (kesik çizgili ok). Dier bir deyile elektrik akmnn
dolanma yönü ayn zamanda pozitif yüklerin dolanma yönüdür.
Okun ucu devreden geçen akmn yönünü gösterir. ki terminalli bir
elektronik devre eleman olan diyotun bu terminalleri anot ve katot olarak
adlandrlabilir. Diyot ileri beslendiinde (ekil 2.20.a) akm anottan katoda doru
akar. Oysa diyot ekil 2.20.b deki gibi ters beslendiinde devreden çok çok küçük
bir akm geçer. Pratik olarak bu, devreden akm geçmiyor olarak kabul edilir (Floyd
2012).
ekil 2.20: Bir diyotun ileri ve ters beslenmesi, a) ileri besleme, b) ters besleme.
ekil 2.21 de ise uygulamada kullanlan diyot tipleri ve bunlarn ayak
balantlar tanmlanmtr.
2.11 Zener Diyot
Zener diyot voltaj regülasyonu ve genel amaçl dorultucu diyot olarak güç
kayna uygulamalarnda geni biçimde kullanlr. Zener diyotun ematik gösterilii
ekil 2.22 de verilmitir (Demirtürk 2014).
ekil 2.22: Zener diyotun sembolü ve genel zener diyot karakteristii.
Zener diyot bir p-n kavak düzenei olup ters besleme durumundaki krlma
(breakdown) olgusu nedeniyle dorultucu diyotlardan farkllk gösterir. Bir zener
35
kolayca kontrol edilebilir. ekil 2.22 (b) deki diyot karakteristiinden de görülecei
gibi, diyot ters besleme durumunda yklmaya uradnda uçlarndaki gerilim sabit
kalr, ancak geçen akm hzla artar.
Bir zener diyot iki tür ters krlma (reverse breakdown) olay vardr. Bir tanesi
daha önce bahsedilen ç (avalanche) yklmas olup yeteri kadar yüksek ters gerilim
uygulandnda dorultucu diyotlarda da gözlenir. Dier tür, zener krlmas (zener
breakdown) olup zener diyotlarda alçak ters gerilimlerde meydana gelir. Bir zener
diyot krlma voltajn düürmek için ar katklandrlr (doping). Yüksek
katklandrma arnma tabakasnn (depletion layer) çok ince olmasn salar. Bunun
sonucu olarak küçük gerilimlerde bile arnma tabakas üzerinde iddetli elektrik alan
oluur. Krlma voltaj VZ yaknlarnda elektrik alan, deerlik bandndan elektronlar
iletkenlik bandna çekebilecek kadar güçlü olduundan akm hzla artmaya balar.
5 V dan daha küçük yklma voltajna sahip zener diyotlarda zener yklmas
egemendir. 5 V dan daha büyük yklma gerilimine sahip zener diyotlarda ise
genellikle ç yklmas meydana gelir (Floyd 2012). Ticari olarak 1,8 V ile 200 V
luk zener gerilimine sahip diyotlar piyasada bulmak mümkündür.
ekil 2.23: Zener diyotun ters besleme karakteristii.
36
ekil 2.23 zener diyot karakteristiinin ters besleme bölgesini göstermektedir.
Görülecei gibi ters gerilim VR arttrldnda ters akm IR, erinin diz ksmna kadar
oldukça küçük miktarda artar. Bu noktada yklma etkisi ortaya çkar, rZ zener direnci
azalrken IZ zener akm artmaya balar. Dizin alt tarafnda genellikle VZ zener
gerilimi hemen hemen sabit kalr. Bu regülasyon kabiliyeti zener diyotun anahtar
özelliidir. Böylece zener diyot uçlarndaki gerilim, belli bir ters akm limitleri
içinde, sabit kalr.
Bir minimum IZK ters akm diyotu regülasyon durumunda tutmak için
gereklidir. Bu akmdan daha küçük akm regülasyon durumunun bozulmasna neden
olur. Her diyot için karakteristik olan bir maksimum IZM maksimum akm iddeti
vardr. Diyottan bu akm iddetinden daha büyük iddette akm geçmesi zener
diyotun tahrip olmasna neden olur. Dolaysyla bir zener diyot IZK ile IZM akmlar
arasnda regülatör görevini yapar (Boylestad, 2011).
ekil 2.24: Zener diyot edeer devresi ve ters besleme karakteristiinin deerlendirilmesi.
ekil 2.24 bir zener diyot için ideal ve gerçek edeer devreleri
göstermektedir. Görülecei gibi zener, elektro motor kuvveti zener gerilimine eit bir
batarya gibi davranmaktadr. deal durumda bu bataryann iç direnci sfr, gerçek
37
durumda ise rZ dir. Burada rZ zener diyot direncine eittir ve ekil 2.24’ ün (c)
ksmnda
/ (2.10)Z Z Zr V I
eklinde tanmlanmtr. Normalde rZ belli bir IZT zener test akmna göre tanmlanr.
Ancak birçok halde rZ deeri, tüm ters akm aralnda hemen hemen sabit kalr.
Her bir ºC bana zener voltajnda meydana gelen yüzde deimeye scaklk
katsays denir. Örnein 12 V’ luk bir zener diyot için scaklk katsays % 0,1 ºC–1
ise, scaklk 1 ºC arttnda VZ gerilimi 0,012 V art gösterir. Bir zener diyot için
zener voltajnda scakla bal olarak meydana gelecek deime,
(2.11)V V T T Z Z KΔ Δ
formülü ile hesaplanabilir (Floyd 2012).
Burada VZ oda scaklnda (25 ºC) nominal zener voltaj, TK scaklk
katsays, T scaklktaki deimedir. Pozitif TK scaklk arttkça zener geriliminin
artacana; negatif TK ise scaklk arttkça zener geriliminin azalacana iaret eder.
2.11.1 Deiken Giri Gerilimine Karlk Çk Geriliminin
Regülasyonu
ekil 2.25: Zener diyot kullanlarak yaplan voltaj regülasyonu.
38
ekil 2.25 bir zener diyotun, deiken DC giri gerilimini nasl regüle ettiini
açklamaktadr. Buna giri veya hat regülasyonu ad verilmitir. Giri geriliminin,
kullanlan zenerin limitleri arasnda kalmak koulu ile deimesine karlk zenerin
uçlarndaki çk gerilimi sabit kalmaktadr. Giri gerilimi deitiinde doal olarak
bununla orantl biçimde IZ de deiir. Ancak bu akm deimesi kullanlan diyot için
belirli olan minimum ve maksimum deerleri arasnda kald sürece zener çk
gerilimini regüle edecektir. ekil 2.26 da ki seri R direnci akm ayarlama direncidir.
ekil 2.26: Deiken giriin zener diyot ile regüle edilmesi.
2.11.2 Deiken Yüke Karlk Çk Gerilimi Regülasyonu
ekil 2.27: Deiken yük kullanlan devrede zener regülasyonu.
ekil 2.27 çk uçlarnda deiken yük direnci bulunan bir devrede zener
regülasyonunu göstermektedir. Zener diyot; zener akm IZM den küçük, IZK dan
büyük olduu sürece, RL yükü uçlarndaki gerilimi sabit tutar. Bu nedenle bu eyleme
yük regülasyonu denir (Demirtürk 2014).
39
Çk terminali açk devre olduunda (RL = ) yük akm sfr olup, akmn
tümü zener diyottan geçer. Yük direnci balandnda akmn bir ksm zener
diyottan bir ksm yük direncinden geçecektir. RL azaltldnda IL artar, IZ azalr;
tersine eer RL arttrlrsa IL azalr, IZ artar. Zener diyot IZ akm IZK minimum
deerine azalncaya kadar regüle eylemine devam eder. Bu durumda yük akm
maksimum deerine ulam demektir (Floyd 2012).
Bir voltaj regülatörünün performansn belirleyen say yüzde regülasyon
kavramdr. Bu kavram hat veya yük regülasyonuna göre tanmlanr. Yüzde hat
(giri) regülasyonu, verilen bir giri gerilimi deiikliine göre ne kadar çk
gerilimi deimesi olduunu anlatr. Bu genellikle giri gerilimi 1 V deitiinde
çk gerilimindeki % deime olarak söylenir. Yüzde yük regülasyonu, belirli
miktar yük akm deitiinde çk geriliminde ne kadar deime olduunu anlatr.
Bu akm aral genel olarak yüksüz durumdaki minimum akm ile tam yüklü
durumdaki maksimum akm aral olarak seçilir. Yüzde yük regülasyonu,
çk yüksüz çk tam yüklü
çk tam yüklü
V V
2.12 Transistör
Transistör 1947 ylnda, Bell Laboratuvarlarnda John Bardeen, Walter
Brattain ve William Shockley tarafndan kefedilmitir. O günden bu güne daha
küçük, daha hafif, daha etkin, daha karmak ve daha ucuz devre ve sistemler
yönünde gelimeler meydana gelmitir ve devam etmektedir. Transistör
teknolojisinin gelimesine bal olarak yakn zamanda gelien devrim saylabilecek
bir dier gelime de entegre devreler olarak söylenebilir.
Kavramsal olarak balca iki tip transistör bulunmaktadr. Bunlarda bir tanesi
Çift Kutuplu Eklem Transistörleri (Bipolar Junction Transistors) (BJT); dieri ise
Alan Etkili Transistör (Field Effect Transistors) (FET) ler dir. Bipolar transistörler
bir elektrik sinyalinin yükseltilmesinden elektronik anahtarlamaya kadar çok geni
40
alanlarda kullanlmaktadr. Transistörlerin yükselteç özellikleri süper heterodyne
alclar dâhil birçok sistemde yer almaktadr.
Çou alcda anten yardm ile alnan çok çok küçük voltaj sinyallerinin
yükseltilmesi kaçnlmazdr. Bu, transistörlerin RF (radyo frekans) devrelerindeki
fonksiyonudur. Çou alclarda kullanlan mixer devrelerinde modüle edilmi RF
sinyallerinin daha fazla yükseltilmesi gerekir. Ses ve güç yükselticilerinde,
hoparlörleri çaltrabilecek yeterli seviyede sinyal elde edebilmek için yine
transistörler kullanlr (Floyd 2012).
Bipolar kavak transistörü, birbirinden iki pn kava ile ayrlm,
katklandrlm üç yar-iletken bölgeden yaplmtr. Bu üç bölge “yayc” (emitter),
“taban” (base) ve “toplayc” (collector) olarak adlandrlmtr. ekil 2.28 de iki tip
bipolar kavak transistörünün yaps gösterilmitir.
ekil 2.28: pnp ve npn transistör yaplar.
Bunlardan bir tanesi npn dizilmesi, dieri ise pnp dizilmesi ile
oluturulmutur. Base bölgesi ile emitter bölgesi arasndaki pn kavana base-
emitter kava denir. Base bölgesi ile collector bölgesi arasndaki pn kava da
base-collector kava olarak bilinir. Bu bölgelerin her birine bir tel balants
yaplmtr. Bu balantlar, emitter için E, base için B ve collector için C ile
41
katklandrlm emitter ve collector bölgelerine göre çok daha incedir. ekil 2.29 da
npn ve pnp bipolar transistörlerin sembolleri gösterilmitir.
ekil 2.29: npn ve pnp transistörlerin yaps ve sembolleri.
Bipolar terimi, transistörün çalmas esnasnda hem elektronlarn hem de
boluklarn (hole) akm tama mekanizmasnda yer almas nedeniyle kullanlmtr.
Bir transistörün yükseltici olarak çalmas için iki pn kava, d voltaj
kaynaklar ile doru biçimde beslenmelidir. Bir transistörün çalma ilkesini
açklamak için bu çalmada npn transistör model olarak alnacaktr. Ayn eyler pnp
transistör için de geçerlidir, ancak elektron ve boluklarn rolleri, besleme polariteleri
ve akm dorultular tamamen ters olarak alnmaldr. ekil 2.30 belirli bir
düzenleme için npn ve pnp transistörlerin beslenme koullarn göstermektedir.
Dikkat edilecei gibi her iki halde de base-emitter BE kava düz, base-collector BC
ters beslenmitir (Boylestad 2011).
42
Emitterden base bölgesine düz besleme BE arnma tabakasn daraltr, baseden
collectore ters besleme BC arnma tabakasn geniletir. n tipi emitter bölgesi sahip
olduu elektronlar kolayca BE kavandan p tipi bölgeye, düz beslenmi diyotta
olduu gibi, difüze eder. Base bölgesi hafifçe katklandrldndan ve çok ince
olduundan kstl sayda elektron boluuna (hole) sahiptir. Bu nedenle elektronlarn
çok az bir yüzdesi BE kavan geçebilir ve küçük IB akmn oluturur (ekil 2.31
b).
Emitterden base bölgesine akan elektronlarn çou BC arnma tabakasna
difüze olurlar. Bir kere bu tabakaya girdiklerinde pozitif ve negatif iyonlarn
oluturduu çekim alanlarndan etkilenerek BC eklemini geçerler. Elektronlarn, BC
ekleminin öte tarafndaki pozitif iyonlar tarafndan da çekildii açktr. Bu, eklin (c)
ksmnda gösterilmitir. imdi artk elektronlar collector bölgesinde hareket
etmektedirler. Hareketlerine devam ederek collector ucundan besleme kaynann
pozitif terminaline girerler ve yollarna devam ederler. Bu hareket sonucu IC
collector akm oluur. Kolayca görülecei gibi collector akm collector
geriliminden bamszdr, buna karlk base akmna dorudan baldr (Boylestad
2011).
43
ekil 2.31: Bipolar npn transistör çalma ilkesi. a) düz-ters beslemede npn transistör içindeki yaklam, b) emitter - base kavanda elektron ak, c) Base - kollektör kavanda elektron.
Bir npn transistör için akm yönleri ekil 2.32 de gösterilmitir. Transistörün
emitteri üzerindeki okun yönü akm yönüdür. Buna göre emitter akm base akm ile
collector akmnn toplamndan olumaktadr (Demirtürk 2014).
(2.13)E C BI I I
IB base akm çok küçüktür.
44
2.12.2 Transistör Parametreleri
Bir npn veya pnp transistör ekil 2.33 da ki gibi gerilim kaynaklarna
balanrsa, base-emitter kavandaki düz besleme gerilimi VBB, base-collector
eklemindeki ters besleme gerilimi VCC gerilimi olarak adlandrlr.
Collector akm IC nin base akm IB ye oranna akm kazanc denir ve βDC ile
gösterilir.

βDC nin tipik deerleri 20 ile 200 arasnda olup daha büyük deerler de alabilir.
Bu deer transistör veri tablolarnda hFE ile tanmlanr.
Collector akm IC nin emitter akm IE ye oran ise αDC ile gösterilir.
(2.15)C DC
45
ekil 2.33: Transistör besleme devreleri.
αDC ile βDC arasnda aadaki yöntemle bir bant türetilebilir. IE = IC + IB
eitliinde her terim IC ile bölünerek,
1 (2.15)
ve (2.16)
B E



haline gelir. (2.17) denklemi, eer βDC biliniyorsa αDC nin hesaplanmasna olanak
verir. (2.17) bants basit bir cebir ilemi ile,
(2.18) 1
DC DC
46
– – 0    (2.19)BB BE BB B B BE B
B

deeri elde edilir. (2.16) denkleminden emitter akm için, [IE = IC / αDC], ve collector
akm için, [IC = βDC × IB] , yazlabilir. RC üzerindeki gerilim dümesi, [VRC = IC ×
RC] eklindedir.
– (2.20)CE CC C CV V I R
Collector-base voltaj ise,
ile hesaplanabilir (Floyd 2012).
npn transistor için ideal DC modeli ekil 2.35 de ki gibi gösterilir.
47
2.12.3 Collector Erileri
ekil 2.36(a) da ki gibi bir devre kullanlarak IC akmnn çeitli IB akm
deerlerinde nasl deitiini gösteren takm eriler elde edilebilir. Bunlara collector
karakteristik erileri denir. ekilden görüldüü gibi VBB ve VCC nin her ikisi de
ayarlanabilir voltaj kaynaklardr.
ekil 2.36: a) Collector karakteristiklerinin çizilmesi için devre, b) tek bir base akm için elde edilen karakteristik I-V erisi.
VBB gerilimi seçilen bir IB akm deeri olacak ekilde ayarlanr ve VCC sfra
getirilirse, IC = 0 ve VCE = 0 olacaktr. Bu durumdan balayarak VCC giderek
arttrlrsa, VCE dolaysyla IC artmaya balar. Bu, ekil 2.36.b) de erinin A - B
arasna karlk gelir (Floyd 2012).
VCE yaklak olarak 0,7 V mertebesine ulatnda base - collector eklemi ters
beslenmi duruma gelir ve IC, IC = βDC × IB ile belirlenen son deerine ular. Bu
48
noktada IC, VCE artmasna ramen sabit deerinde kalr. Bu olay, ekilde B
noktasndan sonraki ksm olarak ortaya çkar. Gerçekte, IC, VCE nin artmas ile
hafifçe artar. Bunun nedeni VCE nin artmas srasnda base-collector arnma
tabakasnn genilemesi, bunun sonucunda base bölgesinde rekombinasyona neden
olacak biraz daha boluk olumasdr. Seçilen baka IB deerleri kullanlarak deney
tekrarlanrsa farkl IC = f(VCE) erileri elde edilerek ele alnan transistör için collector
karakteristik eri ailesi elde edilir (ekil 2.37).
ekil 2.37: Farkl Base akm deerleri için Collector erileri ailesi.
2.12.4 Kesim ve Doyum
IB = 0 olduunda transistör kesilme (cut off) durumuna gelir. Bu, ekil 2.38
de base balant ucunun bota olmas ile anlatlmtr. Bu durumda doal olarak base
akm sfr olmaldr. Ancak bu koullarda bile, ssal olarak uyarlm tayclar
nedeniyle bir ICEO sznt akm mevcuttur. Kesilme durumunda hem base-emitter
hem de base-collector eklemleri ters beslenmi haldedir (Boylestad 2011).
49
ekil 2.38: Kesilme durumunda collector sznt akm.
ekil 2.39 da ki devrede base akm arttrldnda collector akm da artar ve
RC üzerinde daha fazla gerilim dümesi meydana geldii için, VCE azalr. VCE,
VCE(doyum) denen bir deere ulatnda base-collector eklemi düz besleme durumuna
gelir ve IB arttrlsa bile IC daha fazla arttrlamaz. Doyum (saturation) noktas olarak
tanmlanan bu noktadan sonra IC = βDC × IB bants geçerliliini yitirir. Bir
transistör için VCE(doyum), collector erisi dizinin hemen alt tarafnda ortaya çkar ve
silisyum transistörler için bir kaç onda volt mertebesindedir (Floyd 2012).
Transistör parametrelerinden βDC daha yakndan incelenmesi gereken önemli
bir parametredir. βDC hem collector akm ile hem de scaklkla deiir. Eklem
scakln sabit tutarak collector akmnn arttrlmas βDC nin maksimum deerine
kadar artmasna neden olur. βDC bu maksimum deere ulatktan sonra IC nin
arttrlmas βDC nin azalmasna neden olur.
Eer IC sabit tutulup scaklk deitirilirse, βDC scaklkla dorudan deiir.
Eer scaklk artarsa βDC de artar. ekil 2.40 βDC nin tipik bir transistör için IC ve
scaklkla deiimini göstermektedir.
Transistör de dier elektronik düzenekler gibi çalma performansnda baz
kstlamalara sahiptir. Yapmc firmalar tarafndan veri kartlarnda belirtilen bu
kstlamalar maksimum performans veya maksimum rating olarak bilinir. Tipik
olarak maksimum performans Collector-base gerilimi; collector-emitter gerilimi;
emitter-base voltaj; collector akm ve güç olarak verilir (Floyd 2012).
ekil 2.40: Çeitli scaklklarda βDC nin collector akmna bal olarak deimesi.
51
VCE ve IC nin çarpm belirtilen maksimum güçten daha fazla olmamaldr.
Benzer ekilde VCE ve IC ayn anda maksimum olmamaldr. Eer VCE maksimum ise
IC,

bantsndan hesaplanabilir. Eer IC maksimum ise bu sefer VCE benzer ekilde,
(2.23)maksimum CE
Verilen bir transistör için maksimum güç erisi, collector erisi üzerinde
ekil 2.41 de olduu gibi çizilebilir. Bu transistör için deerler ekildeki tabloda
verilmitir. Görülecei gibi transistörün maksimum gücü 0,5 W, VCE(maksimum) = 20 V,
IC(maksimum) ise 50 mA dir. Bu deerler göz önüne alndnda transistör gölgelenmi
ksmlarda çaltrlmamaldr.
Pmaksimum genellikle 25 °C için tanmlanmtr. Daha yüksek scaklklarda
Pmaksimum daha küçük deerlere doru iner. Veri cetvelleri, 25 °C n üzerindeki
scaklklarda Pmaksimum hesaplamak için gerekli olan çarpm faktörünü de verir.
Örnein, azalma faktörünün 2 mW °C –1
, scakln her 1 °C artmasna karlk
maksimum gücün 2 mW azalacan anlatr.
52
Bir elektrik sinyalinin genliinin lineer olarak arttrlmas olay olan
yükseltme bir transistörün en önemli özelliidir. Daha önce örendiimiz gibi
transistör βDC ile tanmlanan bir akm kazancna sahiptir. Transistör beslendiinde
BE kava düz beslendii için alçak direnç; BC eklemi ters beslendii için yüksek
direnç gösterir. Öte yandan IB çok çok küçük olduundan IC, IE ye aa yukar
eittir. Aslnda IC her zaman IE' den biraz daha küçüktür. Bu yaklam kullanlarak, IE
IC yazlabilir. Bu duruma bal kalnarak ekil 2.42 deki devre incelenecek olursa:
Burada, transistör devresine alternatif olan ve Vg deerinde genlie sahip bir
gerilim uygulanmtr. Bu kaynak hem BE besleme gerilimine hem de RC direncine
seri baldr (Floyd 2012).
ekil 2.42: Alternatif gerilim sinyali ile beslenmi transistör ve edeer devresi.
Doru gerilim kayna, alternatif kaynaa göre ksa devre gibi
görüneceinden devrenin edeeri ekildeki gibi olacaktr. Düz beslenmi base-
emitter eklemi AC ye göre alçak direnç durumunda olacaktr. Bu AC direnç ekilde re
ile gösterilmitir. AC emitter akm için,
(2.24